CN1075205A - 快速皮肤温度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用动态测温法设计出的接触 型快速皮肤温度计装置。它可以在温度传感器与皮 肤接触0.5秒到1秒钟之间，测出人体皮肤的温度。 本温度计由可以快速算出待测的皮肤温度与传感器 实际温度间温差的计算电路和加法电路组成。它可 以在测温操作开始后很短的时间内，快速算出皮肤的 温度。

本发明可以快速测量出人体皮肤温度的空间分 布和时间变化，为医学科学的某些领域提供一种新的 诊断手段。

Description

本发明涉及一种测温装置，是一种接触型快速测温的快速温度计，特别是一种能够在温度传感器与皮肤接触0.5秒到1秒钟之间，测出人体皮肤温度的快速皮肤温度计。

常规的接触型温度计作温度测量，都基于热平衡原理，若测温前待测温物体的温度较温度计的温度高，温度计与待测温物体接触后，温度计温度的上升率与待测温物体与温度计之间的温度差成正比，当待测温物体的温度恒定时，温度计的温度-时间曲线是一条以待测温物体温度为渐近线的指数曲线（见附图1虚线所示）。当曲线与渐近线之间的温度差△T开始小于测量精度要求时，就认为二者温度相等，所用的时间t。就是测温时间，所以测温后期时间拖得很长。在测量人体皮肤温度中，由于温度传感器与皮肤接触，使接触处的皮肤在测温一开始到以后的相当长一段时间内，因损失热能而温度下降，直到肌体内部传出的热能补偿了此热损失后，皮肤温度才恢复到初始值。这个原因使得对皮肤测温比对恒温物体测温的时间拖得更长。曾有人用降低温度传感器的质量、比热容，减小温度传感器与皮肤间热阻的办法来缩短测温时间，实现快速测温，但都没有成功。要实现快速测温，只有使用动态测温法。动态测温法可以分作两大类，一类是从描写温度传感器的温度状态方程出发，着眼于对方程解的拟合、逼近，而后快速外推到时间趋于无穷时的温度（即用热平衡法测出的温度）。温度传感器的温度状态方程是一个常微分方程，它的解是一个包含指数函数的曲线，用测量值对此曲线拟合、逼近，必需使用多点采样的方法，如此总的测温时间必然拖得较长，如文献US4541734、EP0338076中述及的那样。正是由于多点采样，温度传感器与皮肤接触时间较长，使皮肤有较大的温度降，引出了另一个描写皮肤温度状态的方程，导致一个微分方程组的解，使问题复杂化了。文献EP0338076中详细讨论了这种情况。这种方法的另一缺点是计算中包含着时间变量，因此测量的时间间隔不能取得很短，否则测量精度会大幅度下降。动态测温度的另一大类是直接从温度传感器的温度状态方程出发，不涉及方程的解、计算中没有时间变量。因为方程中待测的皮肤温度与温度传感器的实际温度之差、同温度传感器在测量点处温度对时间的微商值是比例关系，当比例系数固定后，就可用一点采样的方法测出皮肤的温度。采样值中只有温度传感器的温度值及其对时间的微商值，不明含时间，这使测量时间可以取得很短，达到了快速测温的目的。前一类动态测温度中使用了采样值与方程解曲线的多点拟合、快速外推，要使用计算机，使得这种测温装置构造复杂、造价昂贵、不便普及。后一类动态测温法可以用以运算放大器为基础的模拟电路计算微商值，精度高且电路简单，便于推广实用。被测的人体皮肤温度一般在0℃到45℃之间，温区完全在本发明所选定的温度传感器的线性应用范围之内，没有非线性效应引来的麻烦，也就没有文献《热物理专辑》（清华大学工程热物理教研室，1981）中述及的需用多点采样、最小二乘法计算，从而无法进一步缩短测量时间的麻烦。

本发明的任务是直接从温度传感器的温度状态方程出发，使用动态测温法，研制出稳定、廉价、结构简单和使用方便的秒级以下测温时间、测温面积可以小于10平方毫米的接触型快速皮肤温度计，对人体皮肤温度的空间分布和时间变化作出快速测量。

附图1是说明常规测温与快速测温的区别的示意图。

本发明的任务以如下方法完成：根据传热理论可知，当温度计与某一待测温物体接触时，温度计的温度状态由一阶线性微分方程mc·dT/dt＝k（Te-T）描写。式中m是温度计的质量，c是温度计的比热容，Te是待测温物体的温度，T是温度计的温度，k是温度计与待测温物体间热阻的倒数。可见待测温度Te与温度计温度T之差等于mc/k·dT/dt。在快速皮肤温度计中，温度传感器装在一圆管的头部。用测温操作中要求圆管必需与皮肤垂直接触的办法，来保证温度传感器与皮肤的接触面积在各次测量中保持为一恒定值;再用一个弹簧压力机构（详见后面探头结构的说明），保证温度传感器与皮肤间的压力在各次测量中保持为一恒定值。以这两个恒定值保证温度传感器与皮肤间的热阻在各次测量中为一常数。从而保证了各次测量中mc/k为一常数。使用运算放大器组成的有源微分器，可以用改变某些参考的方法，将它算出的微商数值调整到mc/k·dT/dt的数值上。在测量皮肤温度时，都是温度传感器的温度低于皮肤温度。在整个测量过程中温度传感器的温度单调上升，而温度的导数单调下降。在从采样点开始直到无穷的时间区间内，采样点处的温度微商是极大值。用一个峰值保持器易于将此采样点处的温度微商值取出，再将此值与采样点处的温度传感器的温度值相加，就得到了待测的皮肤温度。这是一种动态测温法。它不要求多点采样、曲线拟合、快速外推，也不要求温度传感器与皮肤的温度相等，而是可以相差很大，关键是能快速测出这个差值。在实际测量中，温度传感器的温度变化可以取任意值，一般取得很小（有时取到1℃以下），以便将测温时间t₁取得很短（本发明中测温时间取为350毫秒），如附图1中测温初期温度曲线上的实线所示。从实验中得到，对同一温度传感器，常规测温和快速测温二者的测温时间可以差到几百倍到几万倍（10²～10⁴倍）。

附图2是快速皮肤温度计的电路框图。

本发明使用了附图2所示的电路框图规定的电路，实现了对人体皮肤的快速测温。其中1是温度传感器，2是放大器，3是AD转换器与驱动器，4是数字显示器，5是微分器，6是放大器，7是温度采样保持器，8是峰值保持器，9是加法器，10是微分触发器，11、12是温度采样保持器和峰值保持器的清零线，13是开关电路，14、15是状态切换开关的控制线。两个状态切换开关互补。

附图3是快速皮肤温度计温度探头的剖面示意图。

附图4是快速皮肤温度计的原理电路图。

下面结合图3、图4对快速皮肤温度计作详细说明。

快速皮肤温度计探头中的温度传感器采用在-55℃～+155℃温区内温度-输出电压关系线性良好的半导体感温元件。参照图3可看出温度计探头的结构：温度传感器1装在铜管6的头部，此铜管可在以螺纹连接的两个塑料外套2、3中沿管轴作轴向运动，铜管由弹簧5向温度传感器方向加压，并由固定在铜管上的限位环4限位，用以保证温度传感器与皮肤可靠接触。温度传感器被压到塑料外套头部的位置且不能再向后运动时，温度传感器与皮肤间的压力由弹簧力决定为某一恒定值，以此来保证在各次测量中温度传感器与皮肤间的热阻为一常数。

参照图4可以看出电路的具体安排。由基准电压源IC₁（LM336-2.5）向双运算放大器LM358的两个运算放大器IC₂、IC₃以及两个晶体三极管T₁、T₂组成的两个恒流源供给基准电压。一路向温度传感器提供一个稳定的100μA电流，另一路向差分放大器IC₄提供一个稳定的参考电压。IC₄是低漂移运算放大器OP07，它组成一个高抗共模干扰的差分放大器。测量结果由三位半数字单片AD转换器和液晶显示驱动器芯片ICL7106用液晶显示器显示。如此，组成一个常规的以热平衡原理为基础的数字温度计。

快速计算部分由附加电路组成。当温度传感器与皮肤接触、温度传感器的温度突变时，由IC₈组成的微分电路将此突变信号变成一个启动脉冲，去触发由IC₉与T₃以及IC₁₀与T₄组成的两个单稳态延时电路，使之进入暂稳态，用这两个暂稳态的暂稳时间决定集成芯片CD4066各开关的启闭，使整个电路从常规测温状态切换到快速测温状态。快速测温部分由低漂移运算放大器IC₅（OP07）组成的线性微分器和加法器以及由双运算放大器TL072的两个运算放大器IC₆、IC₇组成的峰值保持器、温度采样保持器组成。峰值保持器和温度采样保持器清零后，温度计又从快速测温状态自动切换回到常规测温状态。IC₁₁是用运算放大器组成的与门，用以驱动指示灯。IC₈、IC₉、IC₁₀、IC₁₁是四运算放大器LM324的各部分。各集成电路芯片的电源供给图绘于电路图左侧。除去CD4066是单电源外，其他集成电路芯片均是正负电源供电。

本发明在快速测温中操作时间很短，温度传感器与皮肤接触时间可以短到0.5秒以下（但需大于350毫秒），皮肤在测温过程中的热损失很小，温度降也很小，测量结果更接近于皮肤在未测温时的真实温度。又由于温度传感器的面积只有7平方毫米，故可以对小面积皮肤作出快速测温。本发明可以快速测出皮肤温度的空间分布和时间变化，而且稳定、可靠、使用方便，可以为医学科学的某些领域提供一种新的诊断手段。

Claims (3)

1、一种接触型快速皮肤温度计，该温度计由温度探头和一个直接从联系温度传感器的质量m，温度传感器的比热容c，温度传感器的实际温度T，温度传感器的温度上升率dT/dt，待测的皮肤温度Te以及温度传感器与皮肤之间热阻1/k这几个参量间关系的温度传感器的温度状态方程出发，用一点采样快速算出温度传感器与皮肤之间温度差，并从而快速算出待测的皮肤温度的快速测量电路组成，其特征在于：

a)有一个在圆管头部安装了温度传感器，并在测温操作中要求此圆管从垂直方向与皮肤接触、由一个弹簧压力机构保证在多次测温操作中温度传感器与皮肤之间的接触面积及压力均各为恒定值，从而保证了在多次测温操作中温度传感器与皮肤之间的热阻为恒定值的快速皮肤温度计温度探头，

b)有一个利用测温过程中温度传感器的温度对时间导数是单调下降函数、每一个采样点处的温度对时间的微商值都是从采样点开始直到无穷的时间区间内微商值的极大值这一特点的峰值保持器，这个峰值保持器可以准确地取出温度传感器在采样点处的微商值，

c)有一个作模拟微分运算、并可用改变电路参数的办法来调整微分数值的有源微分器，通过它可以用一点采样的方法直接从温度传感器的温度状态方程mc·dT/dt=k(Te-T)出发，从微分值算出皮肤温度与传感器的实际温度之间的温度差Te-T=mc/k·dT/dt的数值，它还是可以将此温度差与温度传感器的温度作加法运算的加法器，从而可以快速计算出皮肤温度的数值。

2、根据权利要求1所述的快速皮肤温度计，其特征在于：所使用的作模拟微分运算和加法运算的有源微分器和加法器由一个单运算放大器组成，这使得快速测温电路得以简化，测量精度得以提高。

3、根据权利要求1所述的快速皮肤温度计，其特征在于：所使用的峰值保持器由两个场效应输入的运算放大器和开关二极管组成，它还有温度值采样保持的功能，这使得快测电路得以简化。

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